颗粒—流体两相流动ppt课件.ppt
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1、第四章颗粒流体两相流动 我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物曳力与曳力系数(Drag and drag coefficient) 流体与固体颗粒之间有相对运动时,将发生动量传递。颗粒表面对流体有阻力,流体则对颗粒表面有曳力。阻力与曳力是一对作用力与反作用力。由于颗粒表面几何形状和流体绕颗粒流动的流场这两个方面的复杂性,流体与颗粒表面之间的动量传递规律远比在固体壁面上要复杂得多。 爬流(Creeping flow):来流速度很小,流动很缓慢,颗粒迎流面与背流面的流线对称。我吓了一跳,蝎子是多么丑恶
2、和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物曳力与曳力系数(Drag and drag coefficient)在球坐标系中用连续性方程和N-S方程可得到颗粒周围流体中剪应力 r 和静压强 p 的分布为 式中p0为来流压力。流体对单位面积球体表面的曳力(表面摩擦应力)为 sin234rRRurcos2320rRRugzpp3sin2srr RuR 我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物曳力与曳力系数(Drag and drag co
3、efficient)r 在 z 轴的分量为22002200dsinsin d3dsinsinsin d42rr RFRuRRuR 表面曳力 (Wall drag)所以整个球体表面摩擦曳力在流动方向上的分量 F 为 sin2/cosrrz dd我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物220022003dcossin d3dcoscossincos d2423nr RFpRupgRRRRgRu 0 曳力与曳力系数(Drag and drag coefficient)流体静压强对整个球体表面的作用力在流动
4、方向上的分量为 浮力 Fb与流体运动无关流体对颗粒的形体曳力 Fp正比于流速 u形体曳力(Form drag)我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物曳力与曳力系数(Drag and drag coefficient)流体流动对颗粒表面的总曳力为摩擦曳力与形体曳力之和 426dpRuRuRuFFF斯托克斯(Stockes)定律 严格说只有在 Rep 0.1 的爬流条件下才符合上式的求解条件 udRepp我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证
5、实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物曳力与曳力系数(Drag and drag coefficient)颗粒表面的总曳力 Fd(1) Rep2,层流区 (斯托克斯定律区) 22uACFpDd24DpCRe6 . 05 .18pDReC0.44DC(2) 2Rep500,过渡区 (阿仑定律区) (3) 500Rep2105,湍流边界层区 边界层内的流动也转变为湍流,流体动能增大使边界层分离点向后移动,尾流收缩、形体曳力骤然下降,实验结果显示此时曳力系数下降且呈现不规则的现象,CD 0.1。 我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的
6、猜测没有错:表里边有一个活的生物曳力与曳力系数(Drag and drag coefficient)曳力系数 CD 与颗粒雷诺数 Rep 的关系 流体绕球形颗粒流动时的边界层分离 ABC850u0ABC1400u0我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物自由沉降与沉降速度(Free settling and settling velocity) 单颗粒(或充分分散、互不干扰的颗粒群)在流体中自由沉降时在所受合力方向上产生加速度 合力为零时,颗粒与流体之间将保持一个稳定的相对速度。dgb-FFF223
7、1246ptDppdugCd43pptDgduCFd Fg Fb ut 由颗粒与流体综合特性决定,包括待定的曳力系数CD重力场中的沉降速度Futmdd我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物自由沉降与沉降速度(Free settling and settling velocity) 颗粒-流体体系一定,ut一定,与之对应的Rep 也一定。根据对应的 Rep,可得到不同Rep范围内 ut 的计算式: (1) Rep2,层流区(斯托克斯公式) (2) 2Rep500,过渡区(阿仑公式) (3) 500R
8、ep ut , up 0, 颗粒向上运动;u ut , up 0,颗粒向下运动。 ptuuu我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物一般采用与球形颗粒相对比的当量直径来表征非球形颗粒的主要几何特征。 等体积当量直径 deV 等表面积当量直径 deA 等比表面积当量直径 dea 颗粒形状系数 非球形颗粒4个几何参数之间的关系 eAAd6ppppAaVd66eadaA VpAaa工程上多采用可以测量的等体积当量直径 deV 和具有直观意义的形状系数A。 36VdeVeVeaeAeVAdddd2我吓了一跳
9、,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物固定床(Fixed bed):固定不动的固体颗粒层例:固定床催化反应器、吸附分离器、离子交换器等。流体在固定床中的流动状态直接影响到传热、传质与化学反应。 测量颗粒粒度有筛分法、光学法、电学法、流体力学法等。工业上常见固定床中的混合颗粒,粒度一般大于70mm,通常采用筛分的方法来分析颗粒群的粒度分布。 标准筛:国际标准组织 ISO 规定制式是由一系列筛孔孔径递增(0.045 mm 4.0mm)的,筛孔为正方形的金属丝网筛组成,相邻两筛号筛孔尺寸之比约为2。由于历史的原因
10、,各国还保留一些不同的筛孔制,例如常见的泰勒制,即是以筛网上每英寸长度的筛孔数为筛号,国内将其称之为目数。 我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物若筛孔直径为 di-1 和 di 相邻两筛的筛留质量为mi,质量分率为xi,则有粒度等于和小于 dpi 的颗粒占全部颗粒的质量分率 i pdidi-1d0ifpd粒径密度函数 f0分布函数Fpd粒径i pdmaxd1.0iFii-1i12pdddiii-1ixfdd ii0dpdppfddFiiddppppddFfdd混合颗粒粒度分布函数 两函数可相互转
11、换 我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物由于颗粒的比表面对流体通过固定床的流动影响最大,通常以比表面积相等的原则定义混合颗粒的平均直径 dpm。 若密度为p的单位质量混合球形颗粒中,粒径为dpi的颗粒的质量分率为xi,则混合颗粒的比表面为 比表面相等iiii61pppxaaxdii61pmpdaxdiiiii11pmAeVeadxxddiipmpdx d对于非球形颗粒,按同样的原则可得 也可用质量平均求混合颗粒的平均直径 我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里
12、呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物床层空隙率 颗粒床层中空隙体积与床层总体积之比床层自由截面 颗粒床层横截面上可供流体流通的空隙面积床层比表面 单位体积床层具有的颗粒的表面积0bpbbVVVVV1baa我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物流体在颗粒床层纵横交错的空隙通道中流动,流速的方向与大小时刻变化,一方面使流体在床层截面上的流速分布趋于均匀,另一方面使流体产生相当大的压降。困难:通道的细微几何结构十分复杂,即使是爬流时压降的理论计算也是十分困难的,解决方法:用简化
13、模型通过实验数据关联。 LuLeu表观速度我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物把颗粒床层的不规则通道虚拟为一组长为 Le 的平行细管,其总的内表面积等于床层中颗粒的全部表面积、总的流动空间等于床层的全部空隙体积。该管组(即床层)的当量直径可表达为 管组湿润周边管组流通截面积4ebd床层颗粒的全部表面积床层空隙体积4ebd441ebbdaa212ebebuLpd将流体通过颗粒床层的流动简化为在长为 Le、当量直径 deb 的管内流动,床层的压降 p 表达为 u1 流体在虚拟细管内的流速,等价于流体
14、在床层颗粒空隙间的实际 (平均) 流速。1uuu1 与空床流速(又称表观流速) u、空隙率 的关系我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物工程上为了直观对比的方便而将流体通过颗粒床层的阻力损失表达为单位床层高度上的压降 固定床流动摩擦系数康采尼(Kozeny)式:Reb 22221331(1)128eebebpaauLLuuLLLdbfRe 14(1)ebbud uRea bKRe 223(1)bpaKuL床层雷诺数K 康采尼常数,= 5.0 康采尼(Kozeny)方程我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐
15、怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物欧根(Ergun)关联式:Reb=(0.17420)可用 A 与 deV 的乘积 (A deV) 代替 dea。 4.170.29bRe 23322)1 (29. 0)1 (17. 4uauaLpb22332111501.75beaeapuuLdd0.11.0101000.010.11.010100100010000bRe 欧根 (Ergun) 方程我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物当 R
16、eb 2.8 (Rep 280 (Rep 1000) 时,欧根方程右侧第一项可忽略。即流动为湍流时,压降与流速的平方成正比而与粘度无关。 我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物流态化(流化床):颗粒在流体中悬浮或随其一起流动。强化颗粒与流体间的传热、传质与化学反应特性。ubp0LuABCDEABCDE床高logulogp bmfutumfL鼓泡床(聚式)膨胀床(散式)气泡相乳化相F流态化过程床层压降及床高变化曲线 初始流态化:临界流化速度 umf 临界空隙率mf 颗粒被气流带出:带出速度 u(=u
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